모터 진동 저감을 위한 구조 위상최적화 연구

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확장요약문

최근 모터의 고효율화 및 경량화에 대한 요구가 증가함에 따라 구조적 안정성을 유지하면서 진동을 효과적으로 저감하기 위한 설계 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 모터 하우징은 내부 구성요소를 지지하고 보호하는 동시에 외부 가진에 의한 진동이 전달되는 주요 구조물로, 하우징의 형상 및 질량 분포는 전체 시스템의 동적 응답 특성에 영향을 미친다. 따라서 하우징의 경량화 과정에서 구조적 강성과 진동 특성을 함께 고려하는 설계 방법이 요구된다. 본 연구에서는 모터 하우징의 경량화와 특정 주파수 대역에서의 진동 저감을 동시에 달성하기 위하여 위상최적화(Topology Optimization), 랜덤 진동 해석(Random Vibration Analysis) 및 국소공진기(Local Resonator)를 활용한 구조 설계 방법을 제안한다. 먼저 ANSYS Structural Optimization을 이용하여 하우징의 구조적 강성을 고려하면서 질량을 최소화하는 위상최적화를 수행하고, 제조 제약조건을 적용하여 하우징의 기능적 형상을 유지하면서 불필요한 재료를 제거하고자 하였다. 이후 최적화된 하우징을 대상으로 외부 가진 환경을 고려한 랜덤 진동 해석을 수행하여 입력 가속도 파워스펙트럼밀도(Power Spectral Density, PSD)에 따른 구조물의 진동 응답을 평가하였다. 이를 통해 주요 위치에서의 가속도 RMS 및 주파수별 응답 특성을 분석하고, 진동 응답이 크게 나타나는 주요 주파수 대역을 파악하였다. 또한 해당 주파수 대역에서 발생하는 진동을 선택적으로 저감하기 위하여 국소공진기를 설계하고 하우징 구조에 적용하고자 하였다. 국소공진기는 특정 주파수에서 국소적인 공진 현상을 유도하여 구조물 내 진동 에너지의 전달을 억제하는 원리를 이용하며, 공진기의 형상 및 동적 특성을 조절함으로써 목표 주파수 대역에서의 진동 저감을 유도할 수 있다. 최종적으로 국소공진기 적용 전후의 진동 응답과 가속도 RMS 값을 비교하여 진동 저감 효과를 평가하고, 경량화에 따른 동적 특성 변화와 국소공진기의 진동 제어 성능을 종합적으로 검토하고자 하였다. 본 연구를 통해 모터 하우징의 구조적 성능을 고려한 경량화와 특정 주파수 대역의 진동 저감을 동시에 구현할 수 있는 설계 방법을 제시하고, 향후 모터 시스템의 경량화 및 진동·소음 저감을 위한 기초 설계 자료로 활용하고자 한다.